2.2 磁通传递是核心

在异步电动机里，转子的能量完全依赖于磁通的传递。或者说，电动机的带负载能力，也完全依赖于磁通的传递。在工频运行时，因为电压和频率都是固定不变的，磁通大小比较稳定，人们不大关心磁通的状态。但在变频运行时，因为电压和频率都任意可调，磁通大小就不那么稳定了。所以，在分析变频调速过程中电动机的带负载能力时，必须紧紧地抓住磁通这个核心，充分了解其变化规律。

2.2.1 稳住磁通不能忘

1.磁通小了没力气

异步电动机转子的能量完全由磁场传递而得，磁通小了，转子所得能量减少，带载能力必然下降。具体地说，则转子的电磁转矩由转子电流和磁通的相互作用而产生，电流大小要受发热的制约，是不能超过额定值的。由式（1-15），如果磁通不足，电动机的电磁转矩必将减小，就可能导致带不动负载。

2.磁通大了要饱和

磁化曲线在电动机的磁路里，磁通Φ1的大小和励磁电流i0的关系，称为磁化曲线，如图2-12b和图2-12c中的曲线①所示。其特点：

在开始阶段，Φ′1与i0基本上呈线性关系，如曲线①上0A段，励磁电流的波形如曲线②所示。

当Φ1增大到一定程度时，磁路开始饱和。这时，励磁电流i0再增大，磁通Φ″1将增加得很少，如图2-12c中的B点所示，励磁电流的波形将发生畸变，其振幅值将超过正常值，如曲线③所示。

如果磁路深度饱和，励磁电流的波形将严重畸变，是一个峰值很高的尖峰波，甚至使变频器因过电流而跳闸。

所以，在进行变频调速时，有一个十分重要的要求，就是尽量使磁通Φ1保持不变：

Φ1≈常数

2.2.2 电压要随频率变

1.频率低了磁通增

由式（1-7）知，异步电动机内，磁通的大小取决于反电动势和频率之比：

频率fX下降时，如果施加于电动机的电源电压U1X保持不变的话，则由于阻抗压降基本不变，磁通必增大。如果频率从50Hz下降至5Hz的话，磁通将可能增大到额定值的近10倍之多。

2.稳住磁通变电压

在式（2-2）中，如果能使反电动势E1X和频率fX之比等于常数的话，磁通Φ1就可以保持不变。这是保持磁通不变的准确方法。

但反电动势E1X是定子绕组切割磁通而产生的，无法从外部控制其大小。在实际工作中，用比较容易从外部进行控制的外加电压U1X来近似地代替反电动势E1X是具有现实意义的。即

式中 U1X——当频率为fX时，施加于电动机定子的相电压（V）。

所以，变频的同时也必须变压，目的是为了保持磁通基本不变，如图2-13所示。

3.调频比与调压比

设当频率下降为fX时，电压下降为UX，则

称为频率调节比，或简称调频比。

称为电压调节比，或简称调压比。

式中 UX——与频率fX对应的电压（V）；

fN——额定频率（Hz）；

UN——额定电压（V）；

kF——频率调节比；

kU——电压调节比。

当kU=kF时，电压与频率成正比，其UX=f（fX）曲线将通过原点，如图2-14所示，称为基本U/f线。图中，与变频器的最大输出电压对应的频率，称为基本频率，用fBA表示。

2.2.3 调制脉宽随正弦

要实现变频又变压，可以考虑的方法如下。

1.脉幅调制（PAM）

这是最容易想到的办法，即在频率下降的同时，使直流电压也随着下降。因为晶闸管的可控整流技术早已成熟，所以人们很容易想到利用可控整流技术使整流后的直流电压与频率同步下降，如图2-15所示。图2-15b是频率较高时的情形，这时脉冲周期较短（频率较高），而脉冲幅值较大；图2-15c是频率较低时的情形，这时脉冲周期较长（频率较低），而脉冲幅值则较小。

由于PAM的结果是使逆变后的脉冲幅度下降，故称之为脉幅调制。

实施PAM的控制电路比较复杂，因为要同时控制整流和逆变两个部分。并且，由于晶闸管整流后的直流电压的平均值和移相角之间并不成线性关系，也使两个部分之间的协调比较困难。

2.脉宽调制（PWM）

将变频器输出电压的每半个周期分割成许多个脉冲，通过调节脉冲宽度和脉冲周期之间的“占空比”来调节平均电压，如图2-16所示。

占空比的定义是每个脉冲周期中，脉冲宽度所占的比例：

式中 D——占空比；

tP——脉冲宽度（μs）；

tC——脉冲周期（μs）。

图2-16b是变频器输出频率较高时的情形，这时脉冲周期较短，而占空比较大；图2-16c是变频器输出频率较低时的情形，这时脉冲周期较长，而占空比则较小。

PWM的优点是只需要在逆变侧控制脉冲的上升沿和下降沿的时刻，而不必控制直流侧，因而大大简化了控制电路。

3.正弦脉宽调制（SPWM）

如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布的话，便是正弦脉宽调制（SPWM）。在图2-17中，图2-17a所示是正弦波，图2-17b所示即为正弦脉宽调制波。当正弦量较小时，脉冲的占空比也较小。反之，当正弦量为振幅值时，脉冲的占空比也较大。

SPWM的显著优点：由于电动机的绕组具有电感性，因此尽管电压是由一系列的脉冲构成的，但通入电动机的电流却十分逼近于正弦波。

2.2.4 SPWM的实施

要实施SPWM的关键问题是如何确定每个脉冲的上升时刻和下降时刻，如图2-18中的t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8……所示。在变频器中，各脉冲的上升沿与下降沿的时刻是由正弦波和等边三角波的交点来决定的。这里三角波是载波，它的频率及振幅都和变频器的输出频率无关；正弦波是调制波，其频率等于输出频率，振幅值根据用户需要随频率而变化。所以SPWM的脉冲序列是调制波调制载波的结果。

1.单极性调制

虽然单极性调制已经很少应用了，但就产生脉冲序列的基本过程而言，和双极性调制是相同的，而单极性调制则比较容易说明问题。

单极性调制的特点：三角波是单极性的，如图2-18所示。变频时：

1）三角波称为载波，其振幅值决定了脉冲的高度；频率大小则决定了每半个周期内脉冲的个数。

2）正弦波是调制波，其频率就是用户的给定频率；其振幅值按用户所要求的比值U1X/fX和给定频率fX同时变化，如图2-19所示。

3）计算机将实时地计算出各脉冲的上升沿和下降沿的时刻，如图2-18中之t1、t2、t3……每个交点时刻都是调制波的振幅值和周期的函数：

t=fX（TX，UmX） （2-7）

式中 t——脉冲上升或下降的时刻（s）；

fX——变频器的输出频率（Hz）；

TX——与fX对应的周期（s）；

UmX——调制波的振幅值（V）。

所以变频器中并没有三角波和正弦波的发生器，而是在计算机软件里，存储着许许多多的交点方程。这些交点方程决定着脉冲序列中各脉冲的上升沿和下降沿的时刻。

2.双极性调制

实际变频器中，更多地是使用双极性调制方式。其特点：三角波是双极性的，如图2-20所示。

双极性调制后的脉冲系列也是双极性的，如图中之uU、uV、uW。但合成后的线电压脉冲系列则是单极性的，如图中之uUV所示。

双极性调制的工作特点：同一桥臂的上、下两个逆变管总是交替导通的。如图2-21所示，如果在脉冲的某一宽度内，V1导通、V4截止，那么在紧接着的宽度内，变成V1截止、V4导通。例如，U相脉冲序列的正半周作为V1管的控制信号，则其负半周经反相后作为V4管的控制信号。